环境侵蚀下高层建筑的损伤破裂模型及试验[论文]

环境侵蚀下高层建筑的损伤破裂模型及试验
摘要高层建筑的高度增大、密度增加，出现了许多新问题，并且由于长期受到各种不利环境影响，建筑材料逐渐老化甚至出现损伤破裂，造成的经济损失也不断增加，文章利用二值神经元神经网络模型，对神经模型的信息储存和提取能力进行非线性数学概括，给出了动力和学习方程，通过硫酸盐侵蚀破坏试验、冻融和侵蚀对水泥土力学性能的双重效应、水泥土破裂过程的微观观测试验，分析了高层建筑遭受侵蚀的机理，并且从原料选择、施工方法等角度尝试提出一些意见。

关键词硫酸盐侵蚀冻融循环抗压强度微观过程
中图分类号：tu97 文献标识码：a
0 引言
随着人口的急剧增加，经贸、工业活动的快速发展，城市用地越来越成为宝贵的资源，导致城市高层建筑也随之增加，高层建筑在应用过程中，受外界环境的综合作用，存在不同程度的问题和隐患，例如在工程建成运行中很多建筑物由于受到硫酸盐、高矿化度地下水等物质侵蚀，导致建筑工程运行出现严重病状，安全性、适应性、耐久性逐渐降低。

要解决这些问题，首先要综合研究高层建筑的环境效应现状，找出高层建筑的损伤和破裂原因，结合高层建筑材料，主要是水泥和钢筋混凝土，通过设计实验方案，如水泥土破裂过程的微观观测试验，构建出完整的水泥土与钢筋混凝土破裂和损伤机理。

1 目前环境侵蚀对高层建筑的影响现状
高层建筑物破裂损伤的原因可以概括为以下几点：一是规划不当；二是设计不当；三是荷载作用导致结构的破裂损伤，过大的或过宽的荷载易使结构失稳或承载能力不足而引起建筑物比较明显的变形，影响正常的结构和构件功能，同时加快加重钢筋腐蚀，使混凝土受拉，会导致其微裂缝的开展与延伸。

同时由于科研的进步，出现了不少建筑和结构设计上的新材料、概念、施工技术及设计分析方法等，也出现了很多成果，例如郝巨涛得到的水泥土耗散能平衡方程。

在得到与实际相符合的数据分析的基础上，对实际维护与预防破裂损伤工程也发挥了很好的作用。

综合说来，材料的损伤就是指材料的结构组织在环境因子的侵蚀下，出现裂纹、错位等不可逆转的变化，材料的功能劣化，其稳定性、强度、寿命等也就随之降低，高层建筑的损伤破裂主要就是其建筑材料的损伤破裂。

混凝土和水泥是土木工程最常用的材料，它们在各种腐蚀条件下的耐久性研究是相当重要的工作，是高层建筑预防侵蚀的重要要素。

2 高层建筑受环境侵蚀的机理
以混凝土的力学行为来演示本模型的一些特点，神经模型中的塑性损伤并不能有效模拟混凝土在高围压作用下的力学行为，而是模拟混凝土和其它脆性材料在与中等围压条件下不可逆损伤有关的一些特性。

试验研究表明：在冻融条件下，水泥土的抗压强度近似直线增长
趋势。

并且对冻融前后水泥土的极限抗压强度线性进行拟合，拟合的效果较好。

当水泥掺量达到25%时，经过冻融循环后的极限达到45%。

因此，在实际工程中，必须采取措施来减少水泥土的冻融损失。

水泥土受压后的变形和损伤特征由依赖于水泥土内部结构，首先要弄清水泥土的细观破裂损伤过程。

在实验过程中发现随着荷载负荷的逐步增加，其内部孔隙被压缩、有水渗出，直到出现宏观裂纹并最终破坏。

第一阶段，应力应变关系表现为线弹性，在压力下微结构发生变化，出现初始的损伤破裂；第二阶段，应力应变关系曲线出现比较明显的波动，不过还是处于弹性阶段，原始损伤加剧，部分损伤部位突破了水泥土的承载能力；第三阶段，实验应力应变关系曲线波动加剧，试件塑性变形明显增加，承载能力被强化，水泥土内部损伤联系到一起，变形增大；第四阶段，水泥土试块宏观裂纹扩展直至破坏，损伤依然扩展，形成更大的裂纹，由于水泥土材料有一定的弹性，达到极限强度后，仍然有一定的残余强度，最终材料由于宏观裂纹的出现而破坏。

从材料的组成来看，破坏是由于颗粒断裂及水化物碎裂导致，从固体材料强度理论的角度分析，不论何种材料，在受到压力之后，正应力本身不会破坏材料，而是剪切作用导致滑移和拉伸作用导致断裂。

对水泥土而言，其破坏是由于开裂而引起剥落破坏的拉力或由于剪切引起的错位破坏的剪力，最初破坏部位一定发生在原始损伤相对发达的部位。

因此，水泥土材料的强度不仅取决于组成材料
的物质，也与内部空隙和裂缝的结构有关。

3 高层建筑破裂损伤的检测与加固
对于高层建筑已经发生的破裂损伤，要及时检测，发现问题，采取相应的补救措施，包括混凝土氯离子含量、混凝土碳化深度的检测等，这些都是是评定结构耐久性的主要指标。

其中，对混凝土层严重剥落的构件，可以采用回弹法进行混凝土残余抗压强度检测。

同时在建筑选材料和施工过程也要注意，在施工时，要对建筑物进行支撑加固处理，施工过程中的支撑物要在混凝土达到设计强度之后才能拆除，还要加强对对运输时的振动荷载进行监测，以保证施工和使用荷载不超过计划要求。

在检测到破裂情况时，遇到锈蚀严重的钢筋，要彻底清除疏松或已经剥落的混凝土，对锈蚀钢筋除锈。

4 结论
高层建筑在城市建筑中占的比例越来越重，对于经济发展、商业活动、城市环境有重要影响，要保证其质量和安全性，对于其中许多新问题，还有侵蚀建筑的环境因子，要引起注意，材料的功能劣化，建筑的稳定性、强度、寿命等也就随之降低。

调查收集数据，通过一系列实验，建出完整的水泥土与钢筋混凝土破裂和损伤机理，在城市建设与发展中发挥积极作用。

参考文献
[1] 吴庆，袁迎曙，姬永升.基于钢筋锈蚀的混凝土结构性能退化研究综述（下）[j].四川建筑科学研究，2008（1） .
[2] 胡秉偃.锈蚀钢筋与混凝土界面行为研究[d].杭州：浙江大学，2011.。